基于BIM+GIS的灌区工程可视化研究

刘晓彬 夏涛 于敬舟 郭云涛

摘要：传统灌区工程管理可视化程度低，难以形象、直观地掌握工程管理动态信息。应用工程领域新兴的BIM+GIS技术，依托于甘肃省古浪县黄花滩调蓄供水工程信息化建设项目，构建了灌区建筑物及各种设备的BIM模型，融合灌区实景模型及正摄影像等GIS数据，实现了灌区工程的可视化展示。运行实践表明：该项目的可视化应用提升了工程建设、运行、维护管理的精细化程度，加强了统一可视化平台下的信息交流和沟通以及业务数据的共享和分析，为灌区管理提供了高效、直观的信息服务。

关键词：灌区工程; BIM+GIS; 实景模型; 可视化

中图法分类号：S274文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.018

文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0097 - 05

0 引 言

随着工程建设数字化、信息化、智慧化程度的发展[1-3]，灌区工程现代化管理水平也逐步提高，各种工程综合管理系统基本成为了灌区信息化管理的标配建设部分[4-6]。但在灌区管理中，目前的智慧化建设大多局限于工程信息的汇集、统计、分析等基本功能，可视化应用程度还不高，甚至缺少必要的工程BIM（建筑信息模型）和GIS（三维地理信息系统）数据等基础支撑，未能充分发挥出可视化技术在工程信息化管理建设中直观展示形象、支撑数据信息、支持决策分析等多重作用[7]。

近年来，BIM+GIS技术已成为工程建设行业的前沿新兴技术[8-11]。基于BIM+GIS技术，可将传统的二维管理信息拓展至精细化BIM模型及大场景GIS数据等多元数据集成[12]，充分研究灌区工程中的可视化应用场景和业务应用，为灌区管理决策提供可视化环境，以期为灌区工程创造更大的效益。

1 工程概况

本文依托于甘肃省古浪县黄花滩调蓄供水工程信息化建设项目。该项目涉及4座调蓄水池和1条分干渠，建设了信息化运行管理系统，形成了与灌区管理相配套的集信息感知采集、自动化监控、通信网络、数据资源、应用支撑、业务应用为一体的信息化平台体系，逐步增强黄花滩灌区水量的定量管理和科学调配，实现灌区管理能力的提升。

在此项目信息化运行管理系统建设中，本文研究了可视化技术应用，基于BIM+GIS技术开发了“灌区一张图”模块，强化了灌区运维期的业务管理综合应用。

2 BIM+GIS技术应用背景

当前，BIM+GIS技术正在掀起一场工程行业的数字化革命。BIM作为信息交流核心，以信息数据为基础，构建工程三维模型，集成工程全过程各阶段和各方信息，支持多方协作，强化及时沟通和有效管理。在工程运维管理过程中，以BIM平台为基础，与现代互联网技术建立各式集成应用，能够达到对工程的有效管理和精准控制。GIS技术可叠加实景模型、DEM（数字高程模型）数据、正摄影像等空间数据信息[13]，具有采集、存储、分析、处理地理信息等功能，能够实现信息的可视化表达，为空间决策分析提供技术支持和服务。

BIM与GIS技术的融合，使微观领域的BIM信息与宏观领域的GIS数据实现交互操作。将BIM从微观引入宏观领域，拓展了三维BIM的应用范围，为BIM技术发展带来了新的契机，可全面提升管理水平和管理效率。

本项目基于BIM+GIS技术，把工程建筑信息模型微观数据与灌区宏观地理信息环境融合共享，形成灌区水源工程、输配水工程的“数据枢纽”，应用到三维GIS分析中，实现宏观灌区全景GIS模型和微观精细化BIM模型的完美融合以及可视化无缝衔接浏览。

3 可视化数据创建

黄花滩调蓄供水工程包含4座调蓄水池和1条分干渠，涉及输水构筑物、引水构筑物、场区构件、景观、渠道以及监测设备等。收集和整理工程信息资料、设计施工图纸、设备照片等已有资料，采集和制作空间数据，如DEM数据、卫星遥感影像数据、三维实景模型、BIM模型等。本文选取工程中BIM模型类型丰富、监测设备种类齐全、可视化应用代表性较强的“3号首调调蓄水池”为例，介绍可视化数据创建方法和应用过程。

3.1 BIM模型建设

本项目采用Bentley系列软件中的OpenBuildings Designer（以下简称OBD）和Microstation（以下简称MS）[14]进行BIM模型创建。OBD是一款功能完善、全面详细的多专业信息建模BIM软件。

3号首调调蓄水池包含输水构筑物、引水构筑物、景观绿化、场区构件、监测设备等部分，以模型精度LOD300进行精细化建模，模型采用真实材质渲染，具体如下。

（1） 输水构筑物。包含出水口、DN800输水管、控制阀井、泵井、流量计阀井、镇墩、渡管等结构，可视化效果如圖1所示。

（2） 引水构筑物。包含消力池、消能台阶渐变段、引水暗渠、取水口（分水闸、节制闸、启闭机、楼梯）等结构，可视化效果如图2所示。

（3） 景观绿化部分。由于蓄水池周围绿化树木还未建成，现场实地不能展示出整体建设效果，因此，采用BIM绿化模型展示灌区可视化效果，树木种类与实际规划相符，可视化效果如图3所示。

（4） 场区构件。包括路灯、中式栏杆、围栏、大门等构件，构件模型可视化效果如图4所示。

（5） 监测设备。包括报警主机（1～30号）、电子围栏、观测墩（表面位移标点TP1-16、工作基点TB1-4、校核基点TX1-4）、气温计、雨量计、摄像头（进水口摄像头、全局摄像头、水尺摄像头、周界1-11号摄像头）、渗压计（P1-P50）、水尺、水温计（1～3号）、变压器等，设备模型可视化效果如图5所示。

3.2 GIS数据制作

GIS数据制作的主要工作包括：大场景数据制作、黄花滩灌区数据制作、重点施工区DOM（数字正射影像）与实景三维模型制作3个方面，总体技术路线如图6所示。其中，重点区域3号首调调蓄水池实景模型如图7所示。

3.3 三维场景建设

三维场景通过集成BIM+GIS数据生成得到。根据集成模式的不同，可以将二者应用集成模式划分为3种类型：BIM应用中集成GIS功能、GIS应用中集成BIM功能以及BIM与GIS深度集成。由于黄花滩灌区控制灌溉面积大、输水线路长，本项目采用GIS应用中集成BIM功能的方式。

在BIM+GIS平台中，将卫星遥感影像数据和各种矢量数据叠加到数字高程模型表面，产生逼真的地形地貌模型，与灌区工程BIM模型进行无缝拼接，生成黄花滩灌区三维仿真场景，实现灌区从整体到局部、从水源区到下游的全方位立体式交互漫游、地图导航和GIS分析等功能。3号首调调蓄水池区域BIM模型和实景数据集成效果如图8所示。

4 可视化技术应用

4.1 BIM+GIS可视化应用引擎

BIM+GIS可视化应用引擎服务提供三维地理信息空间数据管理与发布功能。以数字正射影像、数字高程模型、无人机倾斜摄影、三维建模等技术生成的倾斜三维模型及水工建筑物三维模型为数据源，经脱密公众化处理后集成在三维可视化平台中，实现多尺度、多类型数据的统一浏览展示、信息查询和可视化表达。

BIM+GIS可视化应用引擎服务的总体结构设计为B/S结构，即浏览器/服务器结构，实现空间信息和属性信息的浏览和查询。引擎服务架构如图9所示。

4.2灌区一张图

基于BIM+GIS可视化应用引擎服务，建立黄花滩灌区二、三维多元信息“灌区一张图”模块，实现二三维一张图联动。“灌区一张图”是数字线化地图、数字高程模型、数字正射影像、三维实景模型、BIM模型等多源信息的集合，与灌区的整体调度方案相结合，实现信息的不同维度展示，提供信息的交互查询和相应的空间分析。黄花滩灌区工程信息化系统“灌区一张图”模块界面如图10所示。

4.3系统业务应用

（1） 基于“灌区一张图”模块的基础数据支撑，通过模块选择或跳转链接等方式，在信息化运行管理系统的“自动控制”和“安全监测”等模块中，实现对工程运维期运行状态的可视可控，为业务管理人员宏观把控灌区输配水工程调度提供信息支撑。其中，安全监测模块界面如图11所示。

（2） 将灌区数字化交付成果与BIM模型连接，实现工程设计、施工期数据资料的在线、快捷查看，为工程运维提供便利条件，提升工作效率。

（3） 通过接入工程区域的建筑物、埋设的仪器设备等建立三维仿真场景，用户可以在三维场景中实时浏览和查询各建筑物，以及監测仪器设备的各种信息，实现数据的直观可视化分析与评价。

5结 语

本项目依托甘肃省古浪县黄花滩调蓄供水工程信息化建设项目，构建了灌区建筑物和监测设备BIM模型，集成GIS数据，基于BIM+GIS技术实现灌区工程的可视化展示。结合黄花滩灌区工程信息化系统，基于BIM+GIS可视化应用引擎服务，集成BIM+GIS等多源数据，建立“灌区一张图”功能模块，实现多尺度、多类型数据的统一浏览展示、信息查询和可视化表达。

本文实现了灌区项目的BIM+GIS可视化多重应用，提升了工程建设、运行、维护管理的精细化程度，加强了统一可视化平台下的信息交流和沟通以及业务数据的共享和分析，为灌区管理提供了高效、直观的信息服务。

参考文献：

[1] 刘建军. 疏勒河灌区水利信息化建设实践与展望[J]. 水利规划与设计，2018（10）：12-14，61.

[2] 孙玉梅， 李勇， 聂振钢. 3DGIS与BIM集成技术在公路隧道智慧运维中的应用[J]. 测绘通报， 2020（10）：127-130.

[3] 郭晓宁. BIM 技术在涔天河智慧水库建设中的应用及意义[J]. 水电站机电技术， 2020， 43（10）：70-72.

[4] 程帅，豆明珠，刘照，等. 三维 GIS 在灌区管理中的应用[J]. 水资源与水工程学报， 2015， 26（6）：230-235.

[5] 吉仁古日巴， 张亮. BIM 技术在河套灌区水利工程全生命周期的应用[J]. 工程建设与管理， 2019（12）： 20-22.

[6] 马飞. 基于BIM的水利工程安全监测管理系统研究[D]. 邯郸：河北工程大学， 2017.

[7] 孙建伟，周忠伟. 基于B/S架构的小开河引黄灌区三维可视化管理平台的设计与实现[J]. 科技视界，2018（6）：217-218.

[8] 刘伟翌. GIS技术在新时代水利工程信息化中的运用[J]. 工程技术与应用，2019 （19）： 83-84.

[9] 苏本谦，于德湖，孙宝娣，等. 水利工程信息化与BIM+GIS融合应用的研究进展[J]. 青岛理工大学学报， 2020， 41（5）：126-132.

[10] 贾玉豪，万艳. 基于BIM+3D GIS的大坝安全监测管理系统设计与实现[J]. 陕西水利，2020， 5（5）：149-158.

[11] 胡文高. BIM技术在沿海高桩码头监测中的应用[J]. 珠江水运， 2020（11）： 42-43.

[12] 文富勇. 基于BIM+GIS的大坝安全监测信息可视化展示技术研究[J]. 水力发电，2021，47（3）：94-97.

[13] 王启龙. 无人机倾斜摄影测量技术在水利工程中BIM建模的应用[J]. 水利技术监督， 2020（4）： 61-63.

[14] 卢玉梅， 李志刚. 基于MicroStation的灌区建筑物参数化建模应用研究[J]. 黑龙江水利科技，2019，47（4）：164-166.

（编辑：李 慧）

Research of irrigation project visualization based on BIM+GIS

LIU Xiaobin1， XIA Tao2， YU Jingzhou1， GUO Yuntao1

（1. China Water Resources BeiFang Investigation， Design & Research Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 2. Gansu Water Investment Co.，Ltd.， Lanzhou 730030，China）

Abstract： The visualization degree of the traditional irrigation project management is low， so grasping its dynamic information of the management vividly and intuitively is difficult. The emerging BIM+GIS technology in the engineering field in recent years was employed to construct BIM models of buildings and various equipment for Huanghuatan Reservoir and Water Diversion Project in Gulang County of Gansu Province， and the visual display of the irrigation district was realized through integrating GIS data such as the real scene model and forward photo. The practice showed that the visual display of the irrigation district had improved the operation efficiency and fine management， strengthened the information communication and the share and analysis of data under the unified visual platform， which has provided the irrigation district with efficient and visual service.

Key words： irrigation project; BIM+GIS; real scene model; visualization